【正文】 ....................................................................... 39 后處理 .................................................................................................................... 43 致 謝 .......................................................... 45 參考文獻 ........................................................ 47 3 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 摘 要 本設(shè)計為頂蓋工藝建模及 CAE 分析。在設(shè)計中，對此工件主要進行了拉深工藝分析，其外形、尺寸、材料等均符合沖壓模具的工藝要求。通過拉深工藝分析，并在CAD/CAE 軟件中進行工藝補充，構(gòu)建工藝補充面。然后對該數(shù)模進行拉深定義，選擇了模具類型及結(jié)構(gòu)，沖壓中心，坯料尺寸，在 DYNAFORM 軟件中模擬拉深過程 ,了解可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題 起皺和開裂，并尋求解決方法。最后用計算機繪制了工件的二維圖和三維圖并編寫了設(shè)計 說明書。 關(guān)鍵詞 ： 工藝設(shè)計；構(gòu)建工藝補充面；頂蓋； CAE 分析 Abstract The design in this paper is coping＇ s craftwork modeling and CAE analysis. In the design, the process of the drawing craftwork is analyzed. Its shape, size precision, material and so on accord with the pressing process requirements. Through analyzing the craftwork of drawing, supplement of craftwork is processed in CAD/CAE software. Then, defining the drawing of the model, choosing mould type and structure, pressing center, blank size, the drawing process is simulated in DYNAFORM software. Then the general threedimensional drawings and detail drawings of coping are drawn by CATIA and autoCAD, the specification of press process and die has been finished. Key words: craftwork design。 addendum design。 coping。 CAE analysis 4 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 前 言 目前國內(nèi)眾多的汽車生產(chǎn)廠家 。 對汽車覆蓋件 (頂蓋板等零件 ) 的生產(chǎn)模具 ， 甚至是產(chǎn)品 ， 大部分是從國外直接引進由此耗費了大量的資金和外匯 ， 且直接影響到汽車的銷售價格。眾所周知 ， 汽車沖壓件中頂蓋是最大的沖壓件 ， 頂蓋質(zhì)量的好壞直接影響整車的外觀和質(zhì)量 。 同時影響著前風(fēng)擋玻璃、前后車門、前后門柱、后圍等幾個較大的沖壓件的裝配質(zhì)量 [1]。 因此 ， 頂蓋是一個在工藝設(shè)計、模具設(shè)計以及制造等方面都具有較大難度和較高要求的沖壓件。如何利用自有的技術(shù) ， 設(shè)計并生產(chǎn)出不僅要性能可靠 ， 結(jié)構(gòu)先進合理 ， 而且對外觀、質(zhì)量也有很高要 求的覆蓋件模具產(chǎn)品 ， 一直是國內(nèi)模具技術(shù)人員急需解決的課題 。 隨著非線性理論、板料成形有限元理論的完善和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展 ,薄板沖壓成形的計算機仿真技術(shù)日漸成熟 ,使零件在批量生產(chǎn)前 ,對其成形過程進行模擬成為了可能 ,并在制定工藝和模具設(shè)計中發(fā)揮越來越大的作用。沖壓成形有限元模擬技術(shù)已經(jīng)成為覆蓋件沖壓工藝設(shè)計的重要輔助手段。冷沖模的設(shè)計 CAD/CAM 與 CAE分析的結(jié)合正在改變傳統(tǒng)工藝試制模具的方式，通過對板料變形全過程的數(shù)值模擬 ,判斷模具設(shè)計和工藝方案的合理性 ,每次仿真模擬就相當(dāng)于一次試模過程。這種技術(shù)的結(jié)合能 夠大大降低設(shè)計的成本，改變傳統(tǒng)的浪費時間成本的“設(shè)計 —— 試制 —— 發(fā)現(xiàn)問題 —— 再設(shè)計 —— 再試制 —— 再發(fā)現(xiàn)問題”的生產(chǎn)方式，可以在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高設(shè)計生產(chǎn)的效率，有效縮短模具設(shè)計及生產(chǎn)周期。 當(dāng)今世界汽車行業(yè)普遍認(rèn)為，汽車車身沖壓成形技術(shù)是汽車制造技術(shù)的重要組成部分，每次汽車車身的更新?lián)Q代都需要開發(fā)相應(yīng)專用模具和增加必要的生產(chǎn)線。因此在沖壓生產(chǎn)中，如何提高沖壓生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，正確選取和采用新設(shè)備、新材料、新工藝等是沖壓技術(shù)中的主要課題。 5 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 眾所周知，車身的金屬件幾乎全部為沖 壓件，而且汽車車身的更新?lián)Q代速度快。這就決定了沖壓成形技術(shù)在汽車產(chǎn)品的開發(fā)中不僅影響制造周期，還直接影響成本和產(chǎn)品品質(zhì)。汽車車身沖壓成形技術(shù)的關(guān)鍵是沖壓工藝與模具技術(shù)。沖壓工藝的合理與否決定了模具調(diào)試的難易程度；模具設(shè)計決定了模具制造的難易程度及制造管理過程，因而直接影響模具制造成本和周期。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，也是一個國家綜合實力的象征 [2]。其中汽車沖壓模具設(shè)計制造是一個關(guān)鍵。它代表了一個企業(yè)開發(fā)和制造能力。車身覆蓋件模具的開發(fā)對車身開發(fā)的影響最大，其工作量要占車身開發(fā)工作量的近 70%。模具開發(fā) 的時間一般為 812 個月，也是影響車身開發(fā)周期的最大因素。模具開發(fā)的費用也是一個大項。近年的國際形勢表明，沒有自主的研發(fā)能力，企業(yè)就不可能在激烈的市場競爭中生存下去。因此，必須提高自身的研發(fā)能力，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭力。 盡管國內(nèi)外已通過長期的實踐積累了大量的經(jīng)驗，形成了較系統(tǒng)的設(shè)計制造規(guī)則和方法，但新技術(shù)的出現(xiàn)仍可能為沖壓工藝和模具技術(shù)的重大變革帶來機遇。特別指出的是，以 CAD/CAE/CAM 為特征的計算機技術(shù)在沖壓成形中的應(yīng)用不僅能引起傳統(tǒng)工藝流程在周期、成本和 品質(zhì)方面的變化，而且使一些以前難以實現(xiàn)的工藝設(shè)想可能成為現(xiàn)實。 6 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 1 計算機模擬沖壓成形理論 用于板料成形數(shù)值模擬的有限元方法分為彈 (粘 )塑性有限元法和剛 (粘 )塑性有限元法 :粘塑性有限元法主要應(yīng)用于熱加工 ,而剛塑性有限元法在板料成形中應(yīng)用有限 [3]。目前 ,彈塑性有限元法在板料成形數(shù)值模擬中應(yīng)用較廣。用彈塑性有限元法分析板料成形問題 ,不僅能計算工件的變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布 ,而且還能計算工件的回彈和殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變等。板料成形過程中由于板料與模具具有相對滑動、粘著和脫落 ,所以必須控制增量步長的大小 ,從而盡量反映真 實情況。 在塑性變形過程中 ,如果彈性變形不能忽略并對成形過程有較大的影響時 ,則為彈塑性變形問題 ,板料成形就屬于典型的彈塑性變形問題。在彈塑性變形中 ,變形體內(nèi)質(zhì)點的位移和轉(zhuǎn)動較小 ,應(yīng)變與位移基本成線性關(guān)系時 ,可認(rèn)為是小變形彈塑性問題 。而當(dāng)質(zhì)點的位移或轉(zhuǎn)動較大 ,應(yīng)變與位移為非線性關(guān)系時 ,則屬于大變形彈塑性問題 。相應(yīng)地有小變形彈塑性有限元或大變形 (有限變形 )彈塑性有限元。 小變形彈塑性有限元法 金屬塑性加工是不可逆的 ,因為變形功的一部分轉(zhuǎn)變成熱能。材料的性質(zhì)與應(yīng)力和變形的歷 史有關(guān) ,由加載的歷程決定的。因此 ,在原則上是不能用應(yīng)力應(yīng)變分量的全量形式來描述彈塑性變形的本構(gòu)關(guān)系 ,而應(yīng)該采用微分形式和增量理論來描述。小變形彈塑性有限元法以小變形理論為基礎(chǔ) ,忽略微元體的局部變形并認(rèn)為位移與應(yīng)變成線性關(guān)系 ,只適合分析金屬塑性成形的初期 [4]。 大變形彈性有限元法 變形體在外載荷作用下 ,經(jīng)變形后達到平衡 ,因此用現(xiàn)時位形的歐拉應(yīng)力表述平衡方程是很自然的。 7 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 材料模型 根據(jù)實際的塑性變形情況 ,選用相應(yīng)合理的有限元方法是至關(guān)重要的 ,這不僅影響模擬結(jié)果的精確度 ,也影響模擬的效率。對于涉及大位移的金屬成形 ,采用大變形彈塑性有限元法的模擬精度和效率均高于剛粘塑性有限元法。對于小位移的金屬成形 ,我們可以采用剛粘塑性 (或剛塑性 )材料模型 ,其模擬精度與大變形彈塑性模型基本相當(dāng) ,而模擬效率高于大變形彈塑性有限元法 [5]。一般而言 ,采用彈塑性模型可以模擬金屬各類成形方式 ,可以得到整個變形體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布的實際情況 ,考察模具的受力、變形情況。而剛粘塑性 (實際上也包括剛塑性 )模型得到的應(yīng)力、應(yīng)變分布不全面 ,對剛性區(qū)的處理方式不夠科學(xué)〕。 單元模型 金屬板料的板厚與產(chǎn)品的曲面曲率相比往往很小。若采用實體單元 ,則為了獲得合理的結(jié)果 ,單元各邊的長度應(yīng)與板料為同一量級 ,單元總數(shù)很大。而采用殼體單元則板面內(nèi)的單元可以不受板厚的限制 ,從而可減少單元數(shù)量。板和殼都是用來描述薄結(jié)構(gòu) ,只是板的中面是平面 ,而殼的中面可以是任意的曲面。在板料成形過程模擬 ,為了改善計算精度 ,通常采用殼理論進行公式化 ,可將板看作殼的一種特殊情況。 等效拉延筋模型 在板料拉深過程中 ,拉深件的質(zhì)量在很大程度上受到材料流動控制的影響 ,為防止拉深件出現(xiàn)起皺縮頸等缺陷 ,常在模具上設(shè)置拉延筋來 控制材料流動。板料成形數(shù)值模擬中精確模擬拉延筋的影響還是比較困難的 ,主要是因為拉延筋尺寸較小 ,形狀復(fù)雜 ,要精確考慮板料與拉延筋的接觸 ,則必須將拉延筋模型劃分成非常細(xì)小的單元網(wǎng)格 ,這會增大很多計算工作量 ,因此這種做法是不現(xiàn)實的匯創(chuàng)。目前通常的做法是采 8 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 用等效拉延筋模型 ,將拉延筋復(fù)雜的幾何形狀抽象為一條能承受一定約束力的附著在模具表面的一條拉延筋線 ,然后將拉延筋線離散成一系列的點 ,或?qū)⑵潆x散成線單元 ,并將阻力按等效原則分配到相應(yīng)單元的各個節(jié)點上 ,然后把等效力加到有限元整體剛度方程中進行求解。 回彈模型 回彈是板料沖壓成形過程中不可避免的現(xiàn)象 ,它的存在影響了零件成形的精度 ,增加了試模、修模以及成形后校形的工作量 ,故在生產(chǎn)實際中迫切需要對此采取行之有效的措施?？紤]到在回彈過程中 ,模具己經(jīng)離開工件 ,故實際上已不是接觸問題 ,若再采用靜力平衡迭代方法 ,將不會出現(xiàn)收斂困難 ,也沒有穩(wěn)定性條件的限制 ,計算時間可大大縮短 ,因此大部分學(xué)者建議采用靜力隱式有限元算法 ,避免了采用動力顯式積分算法 [6],因為動力顯式計算中的最終穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)是由系統(tǒng)最低頻率的振動所決定的 ,而且顯式算法中對時間步長△ t 的限制 ,會使回彈分析所需計算步數(shù) 大大超過成形分析所需計算步數(shù)。隱式方法計算回彈的模型有兩種 :無模法和有模法。 無模法 :在成形結(jié)束時 ,去除模具代之以接觸反力 ,進行迭代計算 ,直到接觸力為零 ,適用于零件與沖壓成形模具脫離過程接觸邊界條件的非線性較弱 ,或者沒有明顯的脫離過程的情況。 有模法 :在成形結(jié)束時 ,讓模具反向運動 ,直到凸模完全與板料脫離為止。適用于在卸載過程中 ,零件與沖壓成形模具脫離過程存在明顯的非線性接觸邊界條件的情況。 邊界條件 根據(jù)模具與變形工件的作用情況 ,工件的外表面可以分為自由表面和接觸表面兩大部分 [3]。所謂自由表面即 沒有與模具接觸的工件表面 ,該表面既沒有外力作用 ,又沒 9 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 有位移速度的約束 ,實質(zhì)上自由面是 p‘ =0 的應(yīng)力邊界 ,即該表面屬于應(yīng)力邊界表面s。,只不過這種零應(yīng)力條件對工件的變形沒有任何作用 ,同時在泛函外力功率計算項中 ,其值為零 ,因此可以不予考慮。 型 工件變形是在與模具接觸面上受到的摩擦力 ,對金屬材料流動模型、工件幾何尺寸及內(nèi)部缺陷、模具受力狀態(tài)和總載荷、總能量都有很大的影響作用。同時 ,塑性加工中的摩擦是在高壓、高溫條件下發(fā)生的 ,并且伴隨著工件的塑性變形 ,因此其機制十分復(fù)雜 ,影響因素多 ,如接觸面上的 潤滑條件、模具表面狀態(tài)、變形溫度以及材料化學(xué)成分、性能等。 常用材料性能參數(shù)對成形的影響 l)屈服強度 u:薄板材料首先表現(xiàn)出的可測的永久塑性變形時的工程應(yīng)力 [3,7]。屈服強度決定了薄板材料成形時開始產(chǎn)生塑性變形時所需的載荷 ,吼大 ,所需的成形力也就大 ,它對薄板材料的成形性能影響較小。 2)抗拉強度σ b:薄板材料在單向拉伸試驗中承受的拉力達到最大值時 ,對應(yīng)的工程應(yīng)變?yōu)榭估瓘姸??？估瓘姸圈?b的大小決定了薄板成形中所能施加的最大載荷。σb愈大 ,沖壓成形時零件危險斷面的承載能力愈高 ,其變形程度愈大。在材料 與成形性能有關(guān)的其他性能大致相同時 , σ b大的材料 ,其綜合成形性能好。 3)均勻伸長率δ :單向拉伸試驗中 ,薄板成形在拉力作用下由均勻變形發(fā)展為集中性變形 ,其轉(zhuǎn)折點的變形量為均勻伸長率。均勻伸長率的大小反映了薄板變形開始發(fā)生頸縮時的變形量。因此 ,均勻伸長率δ愈大 ,薄板變形時發(fā)生頸縮變形越遲 ,綜合成形性能越好。 4)應(yīng)變強化指數(shù) n:材料的應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系 ,可用冪次式近似表示為 :。 =AE” ,